Modelling the potential carbon storage capacity of forests dominated by Pinus sylvestris across European ecological zones

기술 요약: Pinus sylvestris(소나무 속) 숲의 잠재적 탄소 저장 용량 모델링

문제 제기
교란이 없는 상태에서의 숲의 최대 탄소 저장 능력, 즉 잠재적 탄소 저장 용량(Potential Carbon Storage Capacity, PCSC)을 정확하게 평가하는 것은 국가 온실가스 인벤토리(NGHGI) 및 효과적인 산림 관리에 있어 매우 중요하다. 현재의 방법론은 종종 1차림(primary forests)에 의해 정의되는 탄소 보유 능력(Carbon Carrying Capacity, CCC)에 의존하는데, 이는 과거의 입지 선정이나 교란 억제 효과로 인해 관리된 숲이 온전한 숲보다 비옥한 입지에서 더 높은 성과를 낼 경우 비현식적인 비교를 초래할 수 있다. 또한, NGHGI에서 사용되는 기존의 바이오매스 축적 변화 접근법은 시간 경과에 따른 다수의 측정을 필요로 하므로, 단일 시점의 데이터만 가용할 때는 활용도가 제한된다. 따라서 다양한 유럽 생태 구역 전반에 걸쳐 지상부 탄소(Aboveground Carbon, AGC)의 비교 가능한 추정치를 생성할 수 있는, 입지 품질에 의존하는 참조 프레임워크가 필요하다. 이는 이론적 최대치 대비 탄소 축적 손실, 잠재적 이득 및 완화 혜택을 평가할 수 있게 한다.

연구 방법론
본 연구는 유럽에서 가장 널리 분포하는 침엽수종인 Pinus sylvestris L.에 초점을 맞추었으며, 9개국(체코, 프랑스, 독일, 이탈리아, 노르웨이, 슬로바키아, 스페인, 스웨덴, 스위스)의 국립 산림 조사(NFI)로부터 얻은 34,948개의 플롯 측정값과 두 가지 특정 사례 연구(라트비아의 노령림 및 스페인의 관리 간벌 시험) 데이터를 활용하였다.

1. 입지 품질 정량화: 저자들은 기준 우세 직경($D_{0ref}$)에서의 우세고($H_0$)로 정의되는 입지 형태(Site Form, SF) 지수를 사용하였다. 연령에 기반하는 전통적인 입지 지수(Site Index)와 달리, SF는 연령에 독립적이어서 연령 데이터가 누락되거나 신뢰하기 어려운 NFI에 적합하다.
2. 모델 적합 (SF): 저자들은 Bertalanffy-Richards 기본 방정식을 이용한 일반화 대수 차이 접근법(GADA)을 사용하여 우세고 궤적을 모델링하기 위한 동적 곡선을 적합시켰다. 이 모델은 전 지구적 생태 구역(GEZ: 보레알, 아열대, 온대) 간의 차이를 설명하기 위해 더미 변수를 포함하였다. 최적의 예측 변수로 32 cm의 기준 우세 직경이 선택되었다.
3. PCSC 추정: AGC(Mg C ha⁻¹)와 SF(m) 사이의 관계는 가이드 곡선 방법론을 사용하여 모델링되었다. 이론적 탄소 저장 상한선을 정의하기 위해 각 GEZ별로 별도의 점근 파라미터를 적합시켰다. 모델은 교차 검증 및 잔차 분석을 통해 검증되었다.
4. 사례 연구: 본 프레임워크는 다음 사례에 적용되었다:
   • 라트비아: 자연림이 PCSC에 도달하는지 평가하기 위해 31개의 노령림(86개 플롯)을 조사하였다.
   • 스페인: 관리의 영향을 AGC와 PCSC의 관계 측면에서 평가하기 위해 다양한 강도(대조군, 경간벌, 중간 간벌, 강한 간벌)를 가진 10개의 간벌 시험을 조사하였다.

주요 결과

• 입지 형태 모델링: GEZ에 대한 더미 변수를 포함한 GADA 모델은 높은 견고성($R^2 = 0.999$, RMSE = 0.193 m)을 보여, 위도 구배(북위 37° – 70°) 전반에 걸쳐 SF가 입지 생산성의 효과적인 대리 지표임을 확인하였다.
• PCSC 곡선: 각 GEZ에 대해 구별된 PCSC 곡선이 생성되었다. 결과에 따르면 PCSC는 입지 품질(SF)에 따라 증가한다. 보레알 침엽수림은 온대 및 아열대 구역에 비해 낮은 PCSC 값을 나타냈으며, 이 두 구역은 유사한 잠재 탄소 축적량을 보였다.
• 사례 연구 결과:
  • 노령림 (라트비아): 일부 플롯이 PCSC에 근접했으나 상당한 변동성이 관찰되었다. 연구는 "노령림" 상태 자체가 반드시 해당 임분이 최대 탄소 저장 잠재력에 도달했음을 보장하는 것은 아니라고 결론지었다. PCSC는 자연적 교란 체계의 강도를 추정하기 위한 참조 경계로서 더 적합하다.
  • 관리된 숲 (스페인): 간벌 강도가 높아질수록 AGC가 감소하였다(대조군 > 경간벌 > 중간 간벌 > 강한 간벌). 그러나 연구는 "플래토 규칙(plateau rule)"을 언급하며, 전체 윤로(rotation) 동안 간벌된 플롯의 현존량과 추출된 목재의 합이 관리되지 않은 플롯의 현존량과 같을 수 있으나, 최대 축적량에 도달하는 시점은 다르다고 명시하였다.
• 모델 성능: PCSC 모델은 $R^2 = 0.578$, RMSE = 45.336 Mg C ha⁻¹를 달랐다. 저자들은 이 모델이 지상부 탄소에 집중하고 있으며, 특히 노령림 시스템에서 중요한 부분을 차지할 수 있는 지하부 및 사목(dead biomass)을 제외했다는 점을 인정하였다.

의의 및 주장
본 논문은 입지 품질에 기반한 PCSC 기준선을 설정하는 것이 현재의 NGHGI 방법론에 대한 보완적인 회계 솔루션을 제공한다고 주장한다. 저자들은 이 프레임워크가 다음과 같은 세 가지 주요 이유로 중요하다고 주장한다:

1. 손실 평가: 현재의 축적량을 해당 입지의 이론적 최대치와 비교함으로써, 인간 및 자연 교란으로 인한 과거의 탄소 축적 손실을 일관되게 평가할 수 있게 한다.
2. 이득 예측: 산림 관리 관행의 변화를 통해 달성 가능한 잠재적 탄소 축적 이득을 예측할 수 있게 한다.
3. 완화 평가: 숲이 최대 용량보다 낮은 탄소 예비량을 보유하도록 관리될 때 상실되는 완화 혜택을 평가할 수 있게 한다.

본 연구는 이 접근 방식이 연속 수관 임분(CCF) 및 비관리 시스템에서 특히 유효함을 강조한다. 이는 최대 탄소 잠재력이 윤로 연령에 의해 정의되지 않는 시스템을 위한 것이다. 또한, 이 연구는 "보존 및 강화"라는 목표를 달 수 있는 메커니즘을 제공함으로써 파리 협정 및 EU 산림 전략과 같은 국제적 틀과 궤를 같이한다. 그러나 저자들은 PCSC를 촉진하는 것이 하나의 완화 전략이 될 수 있지만, 적응 전략(예: 가뭄 회복력을 위한 밀도 감소)과 충돌할 수 있으며, 교란되었거나 자연성이 낮은 숲에서 잠재력을 과대평가하지 않도록 주의 깊은 적용이 필요하다고 경고한다. 결론적으로, 본 방법론은 P. sylvestris를 위해 개발되었으나, 다른 산림 유형에도 적용 가능한 프레임워크를 갖추고 있다.